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太阳能供热采暖系统设计-供暖、集热、蓄热、自动控制、末端

3.1 一般规定
3.1.1 在既有建筑上增设或改造太阳能供热采暖系统,必须经建筑结构安全复核,并应满足建筑结构及其他相应的安全性要求。
3.1.2 太阳能供热采暖系统类型的选择,应根据所在地区气候、太阳能资源条件、建筑物类型、使用功能、业主要求、投资规模、安装条件等因素综合确定。
3.1.3 太阳能供热采暖系统设计应充分考虑施工安装、操作使用、运行管理、部件更换和维护等要求,做到安全、可靠、适用、经济、美观。
3.1.4 太阳能供热采暖系统应根据不同地区和使用条件采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、抗震和保证电气安全等技术措施。
3.1.5 太阳能供热采暖系统应设置其它能源辅助加热/换热设备,辅助热源应根据当地条件,选择城市热网、电、燃气、燃油、工业余热或生物质燃料等,加热/换热设备选择各类锅炉、换热器和热泵等,做到因地制宜、经济适用。
3.1.6 太阳能供热采暖系统中的太阳能集热器应符合《平板型太阳能集热器》GB / T 4271 和《真空管型太阳能集热器》GB / T 17581 中规定的性能要求,其余组成设备和部件的质量应符合国家相关产品标准规定的要求。
3.1.7 太阳能供热采暖系统中所采用的设备和产品,正常使用寿命不应少于 15 年。河南太阳能热水工程

3.2 供热采暖系统选型
3.2.1 太阳能供热采暖系统由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供暖系统、热水系统、自动
控制系统和其它能源辅助加热/换热设备集合构成。
3.2.2 太阳能供热采暖系统按所使用的太阳能集热器类型可分为下列两种系统:
1 空气集热器太阳能供热采暖系统;
2 液体工质集热器太阳能供热采暖系统。
3.2.3 太阳能供热采暖系统按所使用的末端供暖系统类型可分为下列四种系统:
1 低温热水地板辐射太阳能供暖系统;
2 水—空气处理设备太阳能供暖系统;
3 散热器太阳能供暖系统;
4 热风采暖太阳能供暖系统。
3.2.4 太阳能供热采暖系统按蓄热能力可分为下列两种系统:
1 短期蓄热太阳能供热采暖系统;
2 季节蓄热太阳能供热采暖系统。
3.2.5 太阳能供热采暖系统按集热系统的运行方式可分为下列两种系统:
1 直接式太阳能供热采暖系统;
2 间接式太阳能供热采暖系统。
3.2.6 太阳能供热采暖系统的类型应根据建筑气候分区和建筑物类型按太阳能供热系统选型来选择。

3.2.7 液体工质集热器太阳能供暖系统可用于国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019 中规定采用热水辐射采暖、空气调节系统采暖和散热器采暖的各类建筑。空气集热器太阳能供暖系统用于建筑物内需热风采暖的区域。
3.2.8 太阳能供热采暖系统的负荷应按如下原则计算:
1 太阳能供热采暖系统的供暖热负荷为建筑物耗热量,建筑物耗热量应按下式计算:

QH = QHT+QINF-QIH (3.2.7-1)
式中:QH——建筑物的耗热量, (W );
QHT——通过围护结构的传热耗热量, (W );
QINF——空气渗透耗热量, (W);
QIH——建筑物内部得热(包括照明、电器、炊事和人体散热等), (W)
1)通过围护结构的传热耗热量应按下式计算:
QHT = (ti – te)( ∑εK F ) (3.2.7-2)
式中:QHT——通过围护结构的传热耗热量, (W );
ti——室内空气计算温度,按《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019 中规定范围
的低限选取,(℃);
te——室外空气计算温度,按采暖期室外平均温度取值,(℃);
ε——围护结构传热系数的修正系数,
K——围护结构的传热系数, [ W / (m2·℃)];
F——围护结构的面积, (m2);
2)空气渗透耗热量应按下式计算:
QINF = (ti – te)(Cρ•ρ• N • V) (3.2.7-3)
式中:QINF——空气渗透耗热量, (W);
Cρ——空气比热容,取 0.28 W • h / ( kg• K );
ρ——空气密度,取 te条件下的值, ( kg / m2);
N——换气次数, ( 次 / h );
V——换气体积, (m3);
2 太阳能供热采暖系统的热水供应负荷为建筑物的日平均用热水量。日平均用热水量应按
下式计算:
QW = m qr (3.2.7-4)
式中:QW——日平均用热水量, (L);
M——用水计算单位数, (人数或床位数);
qr——热水用水定额,根据《建筑给水排水设计规范》GB50015 规定,按热水最高日
用水定额的下限取值。 ( L / 人· d 或 L / 床· d );
3 常规能源加热/换热设备的供热量应按现行国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019 规定的采暖热负荷计算;在标准规定可不设置集中采暖的地区或建筑,宜根据当地的实际情况,适当降低供热量标准。

3.3 太阳能集热系统设计
3.3.1 一般规定
1 建筑物上安装太阳能集热系统,不得降低相邻建筑的日照标准。
2 太阳能集热系统应有防过热安全技术措施,应具有与使用地区冬季最低环境温度匹配的安全防冻技术措施。
3 直接式太阳能集热系统宜在冬季环境温度较高,防冻要求不严格的地区使用;冬季环境温度较低的地区,宜采用间接式太阳能集热系统。
4 太阳能集热系统的循环管道应选用耐腐蚀和安装连接方便可靠的管材、可采用薄壁铜管、薄壁不锈钢管、塑料热水管、塑料和金属复合热水管等。
3.3.2 太阳能集热器的设置
1 太阳能集热器宜朝向正南,或南偏东、偏西 30 度的朝向范围内设置;安装倾角宜选择在当地纬度±100的范围内;受实际条件限制时,可以超出范围,但应按附录 D 进行面积补偿,合理增加集热器面积,并进行经济效益分析。
2 放置在建筑外围护结构上的太阳能集热器,在冬至日集热器采光面上的日照时数应保证不少于 4h。前、后排集热器之间应留有安装、维护操作的足够间距,排列整齐有序。
3 某一时刻太阳能集热器不被前方障碍物遮挡阳光的日照间距应按下式计算:
S = H cot h COS γ0 (3.3.2-1)
式中:S——日照间距, (m);
H——前方障碍物的高度, (m);
h——计算时刻的太阳高度角;
γ0——计算时刻太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影
线之间的夹角。
4 太阳能集热器不得跨越建筑变形缝设置。
3.3.3 太阳能集热器面积确定
1 直接系统太阳能集热器总面积应按下式计算:

式中:Ac——直接系统集热器总面积,(m2);
QH——建筑物的耗热量, (W);
JT——当地集热器采光面上的采暖期平均日太阳辐照量,J/(m2•日),按附录 A 选取;
f——太阳能保证率,%,按附录 A 选取;

ηcd——基于总面积的集热器集热效率,%,按附录 B 方法计算;  8
ηL——管路及贮热装置热损失率,%,按附录 C 方法计算。
2 间接系统太阳能集热器总面积应按下式计算:

式中:AIN——间接系统集热器总面积,m2;
Ac——直接系统集热器总面积,m2;
UL——集热器总热损系数,W/(m2·℃),测试得出;
Uhx——换热器传热系数,W/(m2·℃),查产品样本得出;
Ahx——间接系统换热器换热面积,m2,按附录 E 方法计算。
3.3.4 太阳能集热系统的设计流量
1 太阳能集热系统的设计流量应按下式计算:
GS = g A (3.3.4-1)
式中:GS——太阳能集热系统的设计流量, m3 / h;
g——太阳能集热器的单位面积流量,m3/(h·m2);
A——太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积,m2;
2 太阳能集热器的单位面积流量 g 与太阳能集热器的特性和用途有关,应根据太阳能集热器生产企业给出的数值确定。在没有企业提供相关技术参数的情况下,根据不同的系统,宜按下表给出的范围取值。

3 宜采用自动控制变流量太阳能集热系统,设太阳辐照感应传感器(如光伏电池板等)或温度传感器,根据太阳辐照条件或温差变化控制变频泵改变系统流量,实现优化运行。
3.4 蓄热系统设计
3.4.1 一般规定
1 应根据太阳能集热系统形式、系统性能、系统投资,供热采暖负荷、太阳能保证率进行技术经济分析,选取适宜的蓄热系统。

2 太阳能供热采暖系统的蓄热方式,应根据蓄热系统形式、投资规模和当地的地质、水文、土壤条件及使用要求按下表进行选择。

3 短期蓄热液体工质集热器太阳能供暖系统,宜用于单体建筑的供暖;季节蓄热液体工质集热器太阳能供暖系统,宜用于较大建筑面积的区域供暖。
4 蓄热水池不应与消防水池合用。
3.4.2 液体工质蓄热系统设计
1 根据当地的太阳能资源、气候、工程投资等因素综合考虑,短期蓄热液态工质集热器太阳能供暖系统的蓄热量应能满足建筑物 1—5 天的供暖需求。
2 各类太阳能供热采暖系统对应每 m2 太阳能集热器采光面积的贮热水箱容积范围宜按下表选取,根据设计蓄热时间周期和蓄热量等参数计算确定。

3 应合理布置太阳能集热系统、生活热水系统、供暖系统与贮热水箱的连接管位置,实现不同温度供热 / 换热需求,提高系统效率。
4 为保证贮热水箱的水温分层,水箱进、出口处流速宜小于 0.04 m / s,必要时宜采用水流分布器。
5 设计地下水池季节蓄热系统的水池容量时,应校核计算蓄热水池内热水可能达到的最高温度;宜利用计算软件模拟系统的全年运行性能,进行计算预测。常压水池的最高水温应低于 95℃,承压水池的最高水温应比与水池内压力相对应的水的沸点低 5℃。
6 地下水池应根据相关国家标准、规范进行槽体结构、保温结构和防水结构的设计。
7 季节蓄热地下水池应有避免池内水温分布不均匀的技术措施。
8 贮热水箱和地下水池宜采用外保温,其保温设计应符合国家现行标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019 及《设备及管道保温设计导则》GB8175 的要求。
9 设计土壤埋管季节蓄热系统之前,应进行地质勘察,确定当地的土壤地质条件是否适宜埋管;宜与地埋管热泵系统配合使用。
3.4.3 卵石堆蓄热设计
1 空气蓄热系统的蓄热装置——卵石堆蓄热器(卵石箱)内的卵石含量为每平方米集热器面积 250kg;卵石直径小于 10cm 时,卵石堆深度不宜小于 2m,卵石直径大于 10cm 时,卵石堆深度不宜小于 3m。卵石箱上下风口的面积应大于 8 % 的卵石箱截面积,空气通过上下风口流经卵石堆的阻力应小于 37 Pa。
2 放入卵石箱内的卵石应清洗干净,卵石大小应均匀,直径范围宜在 5—10cm 之间;不应使用易破碎的石头,如石灰石、砂石等,大理石、白云石等可与水和二氧化碳起反应的石头也不宜使用。卵石堆可水平或垂直铺放在箱内,水平卵石堆适宜于地下狭窄、高度受限的地点,无热分层;垂直卵石堆有热分层,蓄热性能更好,宜优先选用。
3.4.4 相变材料蓄热设计
1 空气集热器太阳能供暖系统采用相变材料蓄热时,热空气可直接流过相变材料蓄热器加热相变材料进行蓄热;液态工质集热器太阳能供暖系统采用相变材料蓄热时,应增设换热器,通过换热器加热相变材料蓄热器中的相变材料进行蓄热。
2 应根据太阳能供热采暖系统的工作温度,选择确定相变材料,使相变材料的相变温度与系统的工作温度范围相匹配。常用相变材料特性见附录 D。
3.5 自动控制设计
3.5.1 一般规定
1 太阳能供热采暖系统应设置自动控制。自动控制的功能应包括对太阳能集热系统的运行控制和安全防护控制,集热系统和辅助热源设备的工作切换控制。太阳能集热系统安全防护控制的功能应包括防冻保护和防过热保护。
2 控制方式应简便、可靠、利于操作;相应设置的电磁阀、温度控制阀、压力控制阀、泄水阀、自动排气阀、止回阀、安全阀等控制元件性能应符合相关产品标准要求。
3.5.2 系统运行控制
1 太阳能集热系统宜采用温差循环运行控制。在集热系统工质出口和贮热装置底部分别设置温度传感器 S1 和 S2,当二者温差大于设定值(宜取 5~10℃)时,通过控制器启动循环泵或风机,系统运行,将热量从集热系统传输到贮热装置;当二者温差小于设定值(宜取 2~5℃)时,循环泵或风机关闭,系统停止运行。
2 太阳能集热系统和辅助热源加热设备的相互工作切换宜采用定温控制。在贮热装置内的供热介质出口处设置温度传感器,当介质温度低于“设计供热温度”时,通过控制器启动辅助热源加热设备工作,介质温度高于“设计供热温度”后,控制辅助热源加热设备停止工作。
3.5.3 防冻、防过热控制
1 使用排空和排回防冻措施的直接和间接式太阳能集热系统宜采用定温控制。当太阳能集热系统出口水温低于设定的防冻执行温度时,通过控制器启闭相关阀门完全排空集热系统中的水或将水排回贮水箱。
2 水箱防过热温度传感器应设置在贮热水箱顶部,防过热执行温度应设定在 80℃以内;系统防过热温度传感器应设置在集热系统出口,防过热执行温度的设定范围应与系统的运行工况和部件的耐热能力相匹配。
3 为防止因系统过热造成运行故障或安全隐患而设置的安全阀应位置适当,并配备相应措施,保证在开启工作进行泄压时,排出的高温蒸汽和水不会危及周围人员的安全;其设定的开启压力,应与系统可耐受的最高工作温度对应的饱和蒸汽压力相一致。
3.6 末端供暖系统设计
3.6.1 液态工质集热器太阳能供热采暖系统可采用低温热水地板辐射、水—空气处理设备和散热器等末端供暖系统。
3.6.2 空气集热器太阳能供热采暖系统应采用热风采暖末端供暖系统,宜采用部分新风加回风循环的风管送风系统,系统运行噪声应符合国家相关规范的要求。
3.6.3 太阳能供热采暖系统的末端供暖系统设计应按照国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》GB 50019、行业标准《地面辐射供暖技术规程》JGJ 142 进行。